تهیه نانو ذرات طلا (AuNPs)

برای درک بهتر تولید و استفاده از مواد در ابعاد نانومتر تصور کنید که یک نانومتر 10،000 مرتبه کوچکتر از قطر موی انسان است. به طور کلی با تغییر اندازه ذرات سه خاصیت اساسی آنها تغییر می کند که عبارتند از:
الف) تغییر رفتار کوانتوم مکانیکی، که نتیجه آن تغییر رنگ، شفافیت، سختی، مغناطیس و رسانایی الکتریکی است.
ب) افزایش سطح، که منجر به تغییر نقطه ذوب و جوش، فعالیت شیمیایی و اثرات کاتالیستی می شود.
پ) تغییر در ساختار مولکولی مواد، که باعث افزایش توانایی سازگاری آنها، افزایش توانایی ترمیم و خودآرایی این مواد شده و کاربردهای زیستی را باعث می شود.
در فناوری نانو، ذرات با قطر کمتر ار 100 نانومتر به عنوان نانوذرات (NPs) تعریف شده و انواع مختلفی از عناصر فلزی، اکسیدهای فلزی، نمکها و ... با خواص متفاوت و کاربردهای متنوع را شامل می شود. علم نانو خواص این مواد را بررسی می کند و با درک این خواص و آموختن چگونگی به کار گرفتن آنها، دانشمندان و مهندسین می توانند انواع جدیدی ار حسگرها و وسایل را توسعه دهند. همانطور که اشاره شد خواص فیزیکی و شیمیایی مواد به نوع و اندازه آنها بستگی داشته و در دامنه مشخصی از نظر اندازه خواص ویژه ای دارند. از میان انواع NPs، نانوذرات طلا (AuNPs) در زمره مهمترین و پراستفاده ترین NPs می باشند که براساس اندازه، شکل و خواص فیزیکی به چند زیر گروه تقسیم می شوند. نخستین گروه از AuNPs که به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته اند، نانوذرات کروی طلا بودند. متعاقب آن نانو میله ها، نانو پوسته ها، نانوقفس ها و نوعی از NPs با خواص پخش رامان افزوده سطحی (SERS) گزارش شدند. اخیرا موینچ و همکارانش نیز نانولوله های طلا (AuNTs) را با اندازه های زیر 5 نانومتر با استفاده از معرف کمکی نیرومند 4-(دی متیل آمینو) پیریدین (DMAP) سنتز نمودند.
در این آزمایش خواص منحصر بفرد مواد در مقیاس نانو از طریق بررسی خواص نوری وابسته به اندازه ذرات در مورد AuNPs معرفی می شود. هنگامی که ذره ای از فلز Au از نظر اندازه با  طول موج نور مرئی (400 تا 750 نانومتر) قابل مقایسه باشد، با نور برخوردی با آن برهم کنش ایجاد می کند. رنگ محلول AuNPs بستگی به خواص فیزیکی یعنی اندازه و شکل NPs دارد.حجم و شکل یک نانو ذره مشخص می کند که چگونه با نور برهم کنش کند و همین برهم کنش عامل تعیین کننده رنگ محلول NPs به شمار می رود. به عنوان مثال رنگ قرمزی که در نتیجه تشکیل AuNPs مشاهده می شود مربوط به جذب شدید نور سبز (طول موج 520 نانومتر) برخوردی با NPs می باشد. محلول سیترات که معمولا برای احیای یون های طلا بکار می رود علاوه بر نقش احیا کنندگی به دلیل تشکیل لایه ای از آنیون های سیترات جذب شده بر روی سطح AuNPs، آنها را از یکدیگر جدا نگه داشته و از تجمع آنها جلوگیری می کند. حضور این سوسپانسیون کلوئیدی را می توان به وسیله انعکاس پرتو لیزر از ذرات آشکار کرد. با به کاربردن آنیون های کوچک تر امکان فشردگی و تجمع بیشتر NPs و تغییر به رنگ های دیگر وجود دارد. هنگامی که محلولی غلیظ از یک الکترلیت قوی نظیر NaCl به محلول حاوی  AuNPsاضافه می شود، غلظت بالای یون ها باعث حذف نیروهای دافعه الکترواستاتیکی  بین آنها و در نتیجه تجمع NPs می شود. کاهش فضای بین NPs ناشی از این تجمع تا حدی است که فضای بین آنها کمتر از قطر متوسط AuNPs می شود. در این حالت محلول طول موجهای بزرگتر (650 نانومتر) را جذب می کند و به رنگ آبی به نظر می رسد. چنانچه مقدار بیشتری از الکترولیت اضافه شود، NPs بیشتر تجمع یافته و رسوب می کنند و محلول شفاف می شود. اما در صورت افزایش یک محلول الکترولیت ضعیف یا غیرالکترولیت، دافعه الکترواستاتیکی بین AuNPs پوشیده شده از آنیون های سیترات ازبین نرفته و محلول همچنان قرمز به نظر می رسد. بنابراین می توان گفت که محلول AuNPs مانند یک حسگر الکترولیتی عمل می کند که تغییر رنگ شدید محلول به دلیل تجمع القایی آنها از طرف الکترولیت می باشد.

مواد و وسایل مورد نیاز
ارلن 50 میلی لیتری، میله همزن مغناطیسی، گرم کن و همزن، پوینتر لیزری، قطره چکان

روش کار

1) 20 میلی لیتر از محلول 001/0 مولار HAuCl4 را به یک ارلن 50 میلی لیتری منتقل کنید. میله همزن مغناطیسی را درون آن انداخته و بر روی گرم کن و همزن مغناطیسی قرار داده و اجازه دهید در هنگام بهم خوردن به جوش بیاید.

 

2) حدود 2 میلی لیتر از محلول 1% تری سدیم سیترات را به محلول در حال جوش اضافه کنید.  AuNPs به تدریج با احیای Au(III) به وسیله سیترات تشکیل می شود. وقتی که محلول به رنگ قرمز تیره درآمد یا 10 دقیقه سپری شد، ارلن را از روی گرم کن بردارید.

 

3) به کمک پوینتر لیزری و انعکاس پرتو لیزر از روی AuNPs معلق در محلول می توان وجود آنها را ثابت کرد.

  4) به دلیل اینکه پوینتر لیزری نور پلاریزه نشر می کند، پوینتر را می توان در جهتی قرار داد که پرتو ظاهر یا ناپدید شود. وقتی پرتو لیزری از منظری قابل مشاهده است، از منظر دیگر عمود بر جهت اول غیرقابل مشاهده است.
 

5) مقدار اندکی از محلول AuNPs را درون دو لوله آزمایش بریزید. یکی از آنها را به عنوان رنگ شاهد نگه دارید و به لوله آزمایش دیگر 5 تا10 قطره از محلول NaCl 1 مولار اضافه کنید. با افزودن NaCl ، NPs به هم نزدیک تر می شوند و رنگ محلول حاوی NPs تغییر می کند.
 
منبع: 512-514 (J.Muskin,M.Ragusa, T.Gelsthope, J.chem.Educ.87(2010